Беспроводная HD-видеокамера без батарейки


    ASIC беспроводной HD-видеокамеры. Фото: Вашингтонский университет

    Обратное рассеяние (backscattering) — физическое явление, при котором происходит отражение волн, частиц или сигналов в обратном направлении, то есть в сторону источника. Оно традиционно используется в астрономии, фотографии и УЗИ. Но оказывается, что это явление можно использовать для электроники, сенсоров и радиопередатчиков.

    В лаборатории сенсорных систем Вашингтонского университета разработали HD-видеомодуль, который передаёт видеопоток 720p и 1080p на 60 FPS с энергопотреблением 321 и 806 мкВт, соответственно. Это в 1000−10000 раз меньше, чем у существующих беспроводных камер. Другими словами, модулю вполне хватит энергии, извлекаемой из окружающей среды (WiFi, свет, вибрация, разница температур, излучение СВЧ и проч.).

    Этого удалось добиться за счёт устранения из устройства «лишней» электроники, в том числе АЦП и видеокодера. Сигнал с сенсора передаётся в аналоговом виде через широтно-импульсный модулятор с обратным рассеянием.

    Представьте, что у нас беспроводная видеокамера, например, видеокамера наблюдения, «умные» очки или другой гаджет из интернета вещей. Если вкратце, то беспроводная видеокамера работает следующим образом:

    • фотоны поступают на фотодиоды светочувствительной матрицы, которые преобразуют свет в электрический заряд;
    • малошумящий усилитель (LNA) усиливает сигнал;
    • модуль автоматического регулирования усиления (AGC) проверяет, что получившийся сигнал не выходит за пределы диапазона, обрабатываемого аналогово-цифровым преобразователем (АЦП или ADC);
    • АЦП выполняет дискретизацию и преобразует аналоговые скачки напряжения в цифровую форму;
    • видеокодер сжимает цифровой видеосигнал;
    • радиопередатчик транслирует цифровой видеосигнал на базу.

    Львиная доля энергопотребления в таком гаджете приходится не на фоточувствительный сенсор, а на остальную электронику. Доказано, что сам сенсор 128×128 может работать всего на 1,2 микроваттах.

    Так вот, инженеры из лаборатории сенсорных систем ради снижения энергопотребления вынесли АЦП вместе с другими электронными компонентами за пределы модуля.


    Схема обычной видеокамеры с передатчиком цифрового сигнала


    Схема видеокамеры с передатчиком аналогового сигнала через обратное рассеяние, где остальная электроника вынесена за пределы модуля

    Как видим, из мобильной части на сторону приёмника перенесены малошумящий усилитель (LNA), модуль автоматического регулирования (AGC), аналогово-цифровой преобразователь (ADC) и видеокодер. Вместо обычного радиопередатчика используется широтно-импульсный модулятор (PWM) с обратным рассеянием.


    Схема широтно-импульсного модулятора с обратным рассеянием

    Интересно, что PWM выполняет также компрессию аналогового сигнала в опорных кадрах. Идея в том, что значения соседних пикселей мало отличаются друг от друга. Поэтому вместо обычного построчного сканирования матрицы здесь реализовали зигзагообразное сканирование, когда чётные строчки сканируются слева направо, а нечётные — справа налево. Эксперименты показали, что это позволяет снизить полосу радиопередачи.

    В таблице указана ширина полосы для передачи видео с отношением пикового сигнала к шуму на стороне приёмника более 30 dB (указаны средний и худший результаты по результатам сотни экспериментов для каждого сценария).



    Качество передачи, то есть показатель Effective Number of Bits (ENOB), зависит от расстояния между видеокамерой и приёмником сигнала. На диаграмме показаны результаты лабораторного эксперимента на расстоянии от 4 до 16 футов (от 1,22 до 4,88 м). Для примера приводится также сравнение качества кадра при разных потерях (ENOB от 3 до 7 бит).



    В лаборатории сенсорных систем давно экспериментируют, применяя обратное рассеяние в различных микросхемах. Ранее они разработали open source платформу WISP (Wireless Identification and Sensing Platform). Это RFID-сенсоры EPC Class 1 Generation 2 на платформе open source с программируемым 16-битным контроллером, который совместим с различными датчиками. Он передаёт данные через высокочастотный сканер радиометок UHF RFID и получаёт энергию от него же, то есть вообще не нуждается в батарейках. В отличие от обычных RFID, на платформе WISP радиометки программируются на выполнение произвольных компьютерных программ.


    Платформа WISP

    Миниатюрные устройства почти не потребляют энергию, поэтому идеально подходят для работы в системах мониторинга, камерах видеонаблюдения, носимых гаджетах и т. д. Вообще, использование обратного рассеяния в электронике может привести к тому, что в будущем многие мобильные устройства избавятся от батареек. Подробнее о «пассивном WiFi» можно почитать в научных статьях, ранее опубликованных специалистами Вашингтонского университета:




    Безопасность Интернета вещей начинается с PKI

    GlobalSign сотрудничает с разработчиками, партнерами, производителями устройств и отраслевыми сообществами, что позволяет быстро развертывать системы идентификации и защиты в экосистемах Интернета вещей с минимальными капитальными вложениями и временем выхода на рынок.

    Свяжитесь с нами по электронному адресу info-ru@globalsign.com, чтобы узнать, как мы можем быть вам полезны.
    GlobalSign 209,43
    Компания
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    Комментарии 21
    • 0
      Такое в первую очередь порадует спецслужбы, они еще и дополнительно СВЧ лучом могут подсветить, что бы работало дальше. Правда, судя по всему, перехватить сигнал с такой камеры не проблема.
      • 0
        Перехватить не проблема. Однако шифрование потребляет еще меньше чем сенсор, если озаботиться.
        • +1
          Для шифрования нужно сигнал оцифровать, а АЦП-то и нет.
          • 0
            ненужно. аналоговый сигнал даже в чем то удобнее шифровать
            • +1
              Что можно сделать с аналоговым видеосигналом кроме обычного скремблирования?
              • 0
                щас прям так не вспомню детали.
                но у нас в вузе даже спецкурс был по аналоговому шифрованию и всему такому.
                в общих чертах модуляция всякими хитрыми функциями
                • +1
                  Вспомните аналоговое кабельное телевидение и как несложно было закрытые каналы просматривать :)
                  • 0
                    там сложнее гораздо. тоесть конечно перебором можно, но сложность уровня открытия сейфа
            • +1
              нужно сигнал оцифровать

              Не обязательно.Модуляция поднесущей по частоте по заранее заданному алгоритму например, сильно затруднит несанкционированное чтение.
              • 0
                Симметричное шифрование можно реализовать для аналогового сигнала аппаратно. Собственно оно и появилось раньше цифровой техники.
              • 0
                Шифрование цифрового сигнала да, но тут то чистый аналоговый сигнал с сенсора через PWM модулятор. Тут тогда надо что-то типа постоянного меняющейся частоты PWM по определенному алгоритму, не зная которого будет тяжело воспроизвести изображение.
                • +1
                  Изменение частоты ШИМ в целях шифрования бессмысленно, т.к. она элементарно измеряется для каждого периода( фронты соседних импульсов)
              • 0
                Вот точное замечание про перехват. Сейчас концепция как можно реже выходить в эфир (примерно как на gsm-маячках), соответственно перехват реален только в том случае если точно знаешь что и где искать, а эта камера вроде как подразумевает непрерывное вещание, как в 80-х. Так себе для наружки.
              • 0
                чётные строчки сканируются слева направо, а нечётные — справа налево
                Вспомнилась чересстрочная развертка
                image
                image

                Интересно, какие артефакты вылезут на этот раз.
                PS:
                Или, не вылезут? Ведь, временный интервал между строками другой.
                • 0
                  вроде бы никаких не должно быть.
                  кадр передается такой же
                  • 0
                    Не вылезут, ведь кадр передаётся полностью.
                  • 0
                    По ходу, скоро настанут времена носимой электроники без аккумуляторов как таковых, учитывая количество радиоизлучения в эфире…
                    • 0
                      уменьшение количества «непосредственно излучающих» устройств уменьшит общую излучаемую мощность. что приведет к нехватке оной для сбора и питания. диалектика…
                      • 0
                        Думаю, впоследствии появятся специальные точки излучения, как появились WiFi точки.
                      • 0
                        Ну да,… и на улицу уже будет не выйти без костюма с эффектом решетки фарадея… из квартиры которая тоже решетка фарадея :)
                        • 0
                          не так-то это и плохо, если выходишь на луне или европе.

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое